太阳能控制器电路工作分析

覃猛 陈仁芬

摘 要：太阳能控制器是整个光伏供电系统的核心控制部分。控制太阳能电池对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。控制电路性能稳定性对整个系统起到决定作用。

关键词：太阳能控制器;工作过程;功能;分析

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。太阳能充放电控制器在太阳系统中用于控制电池电压并打开了电路，还有就是，当电池电压升到一定程度时，停止蓄电池充电。现在对太阳能充/放电控制器的工作过程、功能和主要电路进行分析。

一、太阳能控制器的工作过程分析。

太阳能控制器的作用是有效地控制太阳能电池板给蓄电池充电，同时控制蓄电池为负载放电。以12V 蓄电池为例，与其配套的太阳能电池板在有一定光照强度下的开路电压为21V，接入控制器后的电压为17V，蓄电池的电压为10～14V。 不同的蓄电池其充/放电特性是不同的，若为小容量蓄电池，当接通太阳能电池板与蓄电池后，蓄电池的电压会在很短时间内被电池板充到14V，若不加控制，蓄电池电压甚至会更高，我们判断蓄电池是否已充满的标准就是检测蓄电池的电压值，实际上在这种方式下检测出的结果是不准确的，因为此时检测到的蓄电池电压是虚电压，而等电池稳定后，再测量电压，会发现电压下降了许多。我们加入控制器的目的就是当检测到蓄电池电压达到一定值时，使用控制器控制连接太阳能电池板与蓄电池之间的MOS管的开关，以一种脉宽调制的方式，降低充电电流以进一步为蓄电池充电，直到最后用很微小的电流将蓄电池电压维持在某一固定值。控制负载时需要注意，当蓄电池电压放电到一定电压值以下时，要关断负载，以保护蓄电池不能太过放电，若控制器控制充电部分电路出现问题，蓄电池电压将有可能一直被充到 16V 以上，这样的电压连接负载时，极有可能烧毁负载，因此，也要保证当蓄电池电压高于一定电压值时同样要关断负载。

二、太阳能控制器电路功能：

（1）要能自动检测太阳能电池板电压是否高于蓄电池电压，若高于蓄电池电压，则可开启充电：若低于蓄电池电压，则不能开启充电，否则蓄电池电流会反向流向太阳能电池板而造成电量损耗。

（2）负载放电电流达到12A时控制器通过蜂鸣器报警，提示用户负载已经过载请降低负载功率运行;当放电电流达到15A时，控制器会自动切断负载输出，以保护控制器不被烧坏。切断负载输出后，控制器要能够自动检测负载功率，当负载功率降低到额定功率以下时，控制器又可自动开启负载。

（3）当蓄电池电压低于10.8V时，自动关断负载（欠压关断），同时有报警提示：当从低于10.8V回升到13.2V时自动接通负载（欠压恢复）。

（4）当蓄电池电压高于14.8V 时，自动关断负载（过压关断），同时有报警提示：当从高于14.8V回落到14.7V时自动接通负载（过压恢复）。

（5）当蓄电池处于浮充状态时电压值控制在13.7V。

（6）当用户将太阳能电池板接反至控制器时，要有报警功能，并且具有保护控制器不被毁坏的功能。

（7）当用户将蓄电池接反至控制器时，要有报警功能，并且具有保护控制器不被毁坏的功能。

（8）当负载发生短路时，控制器要具有自我保护能力，同时能检测出短路状态并给予报警提示：当短路解除时能够自动恢复正常功能。

（9）不同的温度对蓄电池的浮充电压点是不同的，要有自动检测温度功能，并且能够自动调节蓄电池的各个电压点。

三、太阳能控制器电源转换及控制部分电路分析。

主控芯片U1采用STCI2C5412AD单片机，该芯片带有4路PWM输出，这里使用其中一路PWM控制充电MOS管的开关。自带8路10位AD，用来采集系统中所有需要处理的模拟信号。

串口通信部分采用MAX232芯片进行TTIL电平和RS-232电平之间的转换，加入串口的目的主要有三个： 一是给单片机下载程序;二是使控制器具有远程通信或远程监控的功能;三是将控制器每天采集到的数据的极限值和发生异常状态时的数据记录在其内部的EPROM中，当工作人员需要查看数据时，可直接通过串口读取数据。

上图为电源转换及控制部分电路。蓄电池正极从二极管DD6的阳极接入，DD6为防电源反接构成反向回路设计。Q3， R16，DW2 为一级降压电路， 将蓄电池电压钳位在9.4V左右。DW2为10V稳压管，当蓄电池电压高于10V时，通过三极管Q3和稳压管DW2后降压到9.4V。降压到9.4V的原因是，三极管的基极电压被稳压管稳定在10V，通过BE极之间的PN结后电压下降0.6V，所以为9.4V。然后通过二级降压电路R17，Q4和DW3将输出电压钳位到5V，这5V电压用来给单片机系统提供电源。两级降压电路中使用三极管的作用是為了扩流，单纯用稳压管同样也可以稳压到期望的电压值，可是输出的电流会非常小，以至根本无法带负载。

电阻R25， R26 和二极管DD8用来检测太阳能电池板电压值，标号“PV-”为太阳能电池板负极，“JCPV” 接单片机A/D输入口。当“PV-"电压等于或大于“BAT-"电压时，说明太阳能电池板电压等于或小于蓄电池电压，这时不能开启充电控制。

R12，R13， R14， R15， DW1，Q2， T1为控制负载开关电路。DW1 用来保证MOS管与GS之间电压最大不得超过10V，否则会损坏MOS管。三极管Q2导通时，MOS 管T1关闭; Q2不导通时，MOS管T1开启。标号“ADC1"有三个作用，一用于单片机控制负载通断;二用于采集MOS管在开启状态下的DS压降，从而检测负载消耗电流大小;三当负载过载或短路时，“ADC1”由硬件自动使MOS关闭，从而保护MOS管及负载的进一步损坏。

R21， R20用来启动硬件自动关闭充电，当太阳能电池板电压低于蓄电池电压时，可由“PV-”直接控制Qs三极管，Q6的控制将失效。

T2， T3两个MOS管对接才可有效控制充电回路，因为MOS管内部自身会有一个二极管，N沟道为S指向D，P沟道为D指向S。DW4为T2和T3 MOS管稳压。T2 和T3 MOS管的开/关由Qs和Q。两个三极管的状态共同决定。

参考文献：

[1]郭天祥《新概念51单片机C语言教程.入门、提高、开发》北京 电子工业出版社 2009.

作者简介：覃猛，1981年1月，男，广西来宾，广西工商技师学院，高级讲师 ，电子技术、家用电器、数码产品、电脑硬件技术。